CN106908365B - 一种采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，采用三维侧向约束轴向加载体系，模拟采动裂隙恢复应力场，结合设计研制的断裂岩体贯通裂隙模型，实现了贯通裂隙岩体应力作用下大渗流量的流耦合试验；断裂岩体贯通裂隙试样实现了对断裂岩体不规则铰接程度的定量化研究；实现了裂隙开度、渗流量的同步监测；裂隙试样上下端面设置软弱层，实现了对垮落带破碎岩体的压缩变形模拟；测试系统能够实现不同开度、倾角、连接程度裂隙的加载裂隙开度闭合过程的渗流模拟试验；能有效认识和揭示采动岩体应力恢复作用下不同结构特征裂隙岩体的结构演化、裂隙闭合及阻隔水能力恢复特性，将会为深入研究“保水采煤”地下水渗流系统恢复机理及“残煤复采”涉及的已有扰动断裂岩体的渗透性特性提供理论基础。

Description

一种采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种试验装置，具体涉及一种采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置及方法，可用于测试开采覆岩破坏带内断裂岩体后期应力恢复作用下岩体间错动剪切过程中裂隙闭合、渗流的特性。

背景技术

地下煤层开采引起上覆岩土层下沉破坏，在垂直空间由下至上依次形成垮落带、断裂带、整体移动下沉带。垮落带与断裂带构成导水裂隙带，导水裂隙带内裂隙发育且相互连通，形成大量渗流通道，一方面导致地下水渗漏和渗流，对地下水资源系统和生态环境产生影响，另一方面引起工作面涌水量增大或突水，对安全开采构成威胁。一般情况下，断裂带是直接接触和连通上覆含水层（体）的关键层段，其断裂结构、渗透性的演化对突水涌水量变化、地下水渗流系统的恢复程度至关重要。

现场观测、室内模型试验研究结果表明，断裂带内岩体虽产生断裂或裂缝，但仍保持其原有层状结构，断裂岩块排列相对整齐。断裂岩块（体）沉降接触底后，开始恢复支承上覆岩土层荷载，自重应力逐渐恢复。随着应力的恢复，岩块间裂隙将产生错动、剪切变形，受围岩的限制，同时产生较大的水平力挤压裂隙，在上述位移、变形和渗流固结等一系列工程地质作用过程，其水文地质、工程地质性质在该过程中得到一定程度的改善，有些特定结构裂隙岩体阻隔水能力甚至可以恢复。

我国西北干旱半干旱生态环境脆弱矿区，为保护或减损生态环境，需进行地下水渗流系统的修复性研究；我国东部煤炭资源逐渐枯竭矿区，为延长矿井寿命对采动裂隙岩体下残留煤层的进行开采，其上覆已有扰动断裂岩体的闭合、渗透性特征对其安全开采具有重要影响。认识与揭示采动断裂岩体后期阻隔水性能演化机理是上述工程的基础科学问题与关键。

采动裂隙岩体在应力恢复作用下结构演化是一项复杂的四维空间问题，是时间与空间的连续函数，实际上为一种边界条件上侧向约束、轴向加载的裂隙岩体的力学变形过程。目前对于裂隙岩体渗流特征的研究，多在裂隙试样内部预制单条裂隙、多条交叉或非交叉裂隙，在渗流方向预制裂隙不贯通，进行双轴或三轴渗流试验研究，其研究重点在于揭示裂隙扩展过程及其渗透性演化。采动断裂岩体是扰动破坏岩体，断裂岩块间由于岩块断面的凸凹不平，断裂岩块间凸出部分相互铰接、存在较大裂隙，张开空间大、渗透性好、渗流量大，在应力恢复作用下，断裂岩体发生旋转、错动、挤压，断面凸出部分受压剪破坏，其断裂裂隙开度、渗透性均较初期减小，该裂隙岩体变形及渗流耦合过程与以往研究条件显著不同。断裂岩块断面的不规则，导致难以获得应力-结构-渗流间的定量性研究结果，而研究断裂裂隙岩体应力恢复作用下阻隔水能力恢复特征，对“保水采煤”、“残煤复采”等工程中地下水渗流系统恢复及顶板防治水等提供重要的理论基础及工程指导意义。因此亟需解决采动断裂岩体在应力恢复作用下裂隙结构、渗透性演化的研究。考虑裂隙连接程度、倾角、开度及强度，本发明给出了一种断裂岩体裂隙试样模型制作的方法，并解决了裂隙试样裂隙断面加载同时施加大渗流的关键技术难题。

发明内容

本发明提供一种采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置及方法，目的在于通过这种方法认识和揭示采动断裂岩体在应力恢复过程中结构错动、剪切、闭合与渗流力学特性，将会为深入研究保水采煤地下水渗流系统恢复机理及残煤复采涉及的已有扰动断裂岩体的渗透性特性提供理论基础。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，包括渗流测试实验罐体和裂隙开度测试实验罐体，所述实验罐体内设断裂岩体裂隙试样，断裂岩体裂隙试样内设上下贯通倾斜裂隙，在裂隙上盘下段及下盘上段均设软弱层，裂隙与试样侧边之间依次设有完整块体和密封凹槽；试样上下两端分别设上、下裂隙保护板，裂隙保护板上设与裂隙重合的通槽，上、下裂隙保护板外设上、下渗透加压板，渗透加压板密设渗流孔，在与裂隙保护板接触面上设多个相互连通集水凹槽，其中一个集水凹槽与裂隙保护板通槽相重合；上、下渗透加压板分别与垂直荷载加载系统、荷载传递监测系统连接，在上、下渗透加压板外侧设罐体上、下密封盖，上密封盖设置出水口，下密封盖内设进水口；试样与罐体侧壁间设置活动侧压板及侧压传感器，活动侧压板相互间密封连接；对于渗流测试实验罐体，进水口、出水口分别与渗流加压系统和渗流测试系统连接；对裂隙开度测试实验罐体，裂隙保护板与渗流加压板间设置带有导水连接管的密封膜，导水连接管一端对准裂隙保护板通槽，另一端依次通过渗透加压板渗流孔及上、下密封盖出、进水口引出与裂隙开度体积测试管连接。

进一步，所述两个实验罐体结构相同，一个用于荷载作用下裂隙试样变形过程中渗流流量的测试，一个用于裂隙开度的变化监测，两个实验罐体共同放置于约束框架内，对应于两个实验罐体中心位置上方的约束框架上安装有加载千斤顶，下方安装有荷载传感器；所述罐体上部可施加垂直荷载，罐体底部设置底座荷载传感器可监测传递的垂直荷载，侧壁活动侧压板可监测侧向压力；所述的用于测试渗流的实验罐体底部可施加渗流水压，上部可监测渗流流量及水压；所述的用于测试裂隙开度变化的实验罐体在裂隙试样上端和下端设置带有导水连接管的密封膜，用于测试裂隙试样内在裂隙空间体积变化。

进一步，所述的实验罐体是两端有上、下两个密封盖，侧向可通过法兰固定与打开的圆柱形罐体，内腔体截面为正方形，腔体内由4块可分离的活动侧压板相互衔接密封，形成第二层封闭渗流腔体；下密封盖与底座相连，上、下密封盖中心设有上、下荷载活塞，上、下盖中心荷载活塞孔处设有导向槽及密封槽。

进一步，所述实验罐体内的活动侧压板为锥形结构刚性板，活动侧压板横断面为梯形，外宽内窄，活动侧压板外侧内角为45°，内侧内角为135°，共4块相互分离，活动侧压板内置应力传感器，侧活动压板之间设侧压板间密封条，优选为橡胶带密封，活动侧压板上部和下部均设置侧压板端部密封橡胶条，活动侧压板与试样之间设隔水薄膜。

进一步地，所述有贯穿裂隙试样为一非亲水性相似材料立方块体，内置一贯通倾斜裂隙，内置裂隙开度为0.5~2.0 mm，倾角为50°~90°，边界密封凹槽深2mm，在裂隙上盘下段、下盘上段均设置一定厚度软弱层，软弱层厚度按内在裂隙空间体积折算，密封凹槽与裂隙间有一定宽度完整块体，宽度为5~30 mm；密封凹槽宽度与裂隙开度相同。

进一步地，所述裂隙保护板为厚度在1 mm的钢板，其尺寸与裂隙试样两端断面相同，紧贴于裂隙试样两端，保护板内设与裂隙开度尺寸相同的通槽。

进一步地，所述渗透加压板为渗流孔密布的厚钢板，在与裂隙保护板接触的面上，渗透加压板上设置多个相互连通的集水凹槽，将各渗流孔相互连接，并保证其中某一渗流板集水凹槽与裂隙保护板通槽相重合。

进一步地，所述垂直荷载加载系统由伺服加载万能试验机、荷载转换器、2个加载千斤顶及液压管线构成，荷载转换器放置于伺服加载万能试验机加载平台，另外两个加载千斤顶分别安装在两个罐体上方约束框架上，伺服加载万能试验机对荷载转换器加载，荷载转换器通过液压管与另外两个实验罐体上方的加载千斤顶相连并传递荷载，两个实验罐体上方的加载千斤顶之间也通过液压管连通，通过这种方式，可以将伺服加载万能试验机的加载路径施加于两个实验罐体；在两个实验罐体上方的加载千斤顶位置均安装有位移传感器和荷载传感器，监测加载过程中的荷载及裂隙试样的位移变形。

进一步地，由活动侧压板、侧压传感器、数据采集系统组成侧压测试系统，垂直荷载作用下的裂隙试样变形过程中形成的侧向应力传递至活动侧压板，通过监测活动侧压板内应力传感器获得侧压力变化。

进一步地，荷载传递监测系统由实验罐体底部荷载传感器、下加载活塞及数据采集系统组成。

进一步地，所述裂隙开度监测系统由裂隙开度测试实验罐体、连接导水管的密封膜、体积测试管组成，选用渗流试验中同样参数试样在裂隙开度测试实验罐体进行加载试验，与渗流实验罐体同步加载，通过测试裂隙空间内在液体体积变化监测开度变化过程，试验过程中密封裂隙试样上下端面，并将裂隙试样内在裂隙注满液体并与裂隙开度体积测试管通过导水连接管相连；导水连接管优选为尼龙材料。

进一步地，所述渗流加压系统由包括依次连接的进水口水压力传感器、水压稳压罐体、稳压溢流阀、泵组及集水箱，水流由实验罐体下盖进水口进入，渗流加载体统施加最大渗流量大于10 L/s，且渗流水流可循环使用。

进一步地，所述渗流测试系统由出水口水压力传感器、微-中型流量计（量程0.5ml/s~20000 ml/s）、数据采集仪器、集水箱共同组成，微流量计与中流量计并联，当流量较大时打开中流量计、关闭微流量计监测水流量，当流量较小时打开微流量计、关闭中流量计监测水流量。

相应地，本发明给出了一种采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验方法，包括下述步骤：

1）制作采动断裂岩体的裂隙试样：

为了模拟断裂岩体裂隙挤压、错动、剪切过程，并定量研究其结构演化特征，将断裂岩体的裂隙试样设计为长方体结构，在其内部预制一条上下贯通的倾斜规则裂隙，裂隙用于模拟断裂岩体间裂隙空间，裂隙边界预留一定尺寸完整块体，该部分完整块体用于模拟断裂岩体断面间凸出铰接部分，为防止裂隙试样受压剪切错断过程中水向外渗流，在裂隙边界完整块体外侧预设一密封凹槽，凹槽内填充塑性隔水材料；所述隔水材料优选为聚氨酯；在裂隙上盘下部、下盘上部均铺设一定厚度的软弱层，用以模拟断裂下体下部松散结构岩体，并提供断裂裂隙试样的剪切错动变形空间；

在裂隙试样模具内固定好预制裂隙钢板，将裂隙保护板穿过预制裂隙钢板放入模具底部，在底部裂隙钢板上侧放入已经预制好的软弱层块体，在钢板及模具内侧均匀涂上一层润滑油或凡士林，注入配置好的非亲水性相似裂隙试样材料，在上部裂隙钢板下侧放入另一块预制好的软弱层块体，在模具上方穿过预制钢板放入另一块裂隙保护板，振动均匀后，待裂隙试样达到一定强度后拆模，拔出预制裂隙钢板，置入水中养护，养护完成后在裂隙边界密封凹槽内填充塑性隔水材料；

2）安装裂隙试样

渗流裂隙试样安装的方式：首先在底部密封盖上放入下部渗透加压板，将养护好的裂隙试样侧壁包裹一至两层隔水薄膜，然后放在渗透加压板上，保证下部渗透加压板的某一集水凹槽与裂隙保护板裂隙通槽重合，并逐步安装活动侧压板，并在侧压活动板内壁涂抹润滑油，固定罐体侧壁，放入上部渗透加压板，保证上部渗透加压板的某一集水凹槽与裂隙保护板通槽重合，安装上部密封盖，固定密封整个罐体，连接进、出水管，并将水压传感器、水流量计及应力传感器与数据采集仪及电脑相连；

裂隙开度测试裂隙试样安装的方式与渗流裂隙试样基本相同：首先在底部密封盖上放入下部渗透加压板，将养护好的裂隙试样侧壁包裹一至两层隔水薄膜，在下裂隙试样保护板外侧增加密封膜，与密封膜连接的下导水连接管一端部对准裂隙保护板通槽，下导水连接管另一端由渗透加压板、进水口引出，然后放在渗透加压板上逐步安装活动侧压板，并在侧压活动板内壁涂抹润滑油，固定罐体侧壁，在上裂隙保护板上同样放置连接上导水连接管的密封膜，上导水连接管一端对准裂隙保护板通槽，另一端由渗透加压板引出，然后放入上渗透加压板，安装上部密封盖，上导水连接管由出水口引出，固定密封整个罐体，由下导水连接管向裂隙试样内注入液体直至上导水连接管出口不再有气泡冒出，然后将上导水连接管、下导水连接管另一端与裂隙开度体积测试管连接；

3）检查传感器与数据采集仪连接情况及工作状态：打开数据采集装置，检查各传感器与数据采集系统连接情况，启动伺服加载装置，对荷载转换器加载，打开荷载转换器与2个千斤顶之间的开关，使实验罐体上部加载活塞与上部渗透加压板接触，但不施加荷载，打开渗流加载装置，检查各传感器测试、监测设备处于正常工作状态；

4）施加稳定水压力和流量：关闭微型流量计、打开中型流量计，启动水压力水量控制泵组，调节溢流阀，设置好需要的水压力和流量；

5）施加轴向荷载：垂直荷载加载前，首先测试荷载为零时，在设定渗透压力条件下裂隙试样的渗流量，同时观测裂隙开度体积测试管水位；在伺服加载万能实验试验机上输入折算后对应的加载路径（伺服加载万能试验机需要提供渗流实验罐体、裂隙开度测试实验罐体的垂直加载荷载，因此需调整对应加载荷载），施加轴向荷载，同时施加稳定水压；

6）数据采集：采集实验罐体上方千斤顶的轴向荷载、轴向位移，罐体的侧向围压、底部荷载，渗流罐体的渗流量、渗透压力，裂隙开度体积测试管内的体积变化，伺服加载万能实验机可自动监测加载路径及位移变化；

7）打开微型流量计、关闭中型流量计：加载过程中，裂隙试样的渗流量逐渐减小，减小到一定程度后，渗流量在微型流量计量程范围时，关闭中型流量计、打开微型流量计，确保监测精度；

8）卸载：当微型流量计监测渗流为零时或者达到预设荷载时，控制伺服加载万能实验机停止加载，卸载的过程中数据采集系统继续采集各项数据直至各项数据稳定不变；

9）模型拆卸和现象观测：打开罐体，观测裂隙试样的破坏变形特征；

10）更换不同参数裂隙试样，重复步骤2）-9）；

11）数据分析与提炼：根据试验过程采集的不同试验数据和信息，分析不同参数裂隙试样，在应力恢复过程中应力、位移、裂隙开度、渗流及相互间耦合关系的演化模型，定量描述和分析裂隙开度、倾角及裂隙边界完整岩体宽度对应力恢复过程中裂隙闭合及阻隔水能力恢复的影响机理。

与现有技术比较，本发明的优点在于采用三维侧向约束轴向加载体系，模拟采动裂隙恢复应力场，结合设计研制的断裂岩体贯通裂隙模型，实现了大流量贯通裂隙岩体应力作用下的渗流耦合试验；实现了裂隙开度、渗流量的同步监测；裂隙试样上下端面设置软弱层，实现了对垮落带破碎岩体的压缩变形模拟；贯通裂隙边界完整部分尺寸变化实现了断裂裂隙铰接程度的模拟；实现了按采动裂隙岩体应力恢复路径加载，获取断裂岩体垂直受压旋转错动过程中的侧向应力，及其耦合应力场作用下裂隙开度闭合的定量过程；测试系统能够实现不同开度、倾角、连接程度裂隙的加载裂隙开度闭合过程的渗流模拟试验；能有效认识和揭示采动岩体应力恢复作用下不同结构特征裂隙岩体的结构演化、裂隙闭合及阻隔水能力恢复特性，将会为深入研究“保水采煤”地下水渗流系统恢复机理及“残煤复采”涉及的已有扰动断裂岩体的渗透性特性提供理论基础。

附图说明

图1为本发明试验装置整体结构示意图；

图2为实验罐体正视结构示意图；

图3为图2的侧视结构示意图；

图4为图2的打开上密封盖后的俯视结构示意图；

图5为侧向活动压力板及传感器连接示意图；

图6为裂隙试样主视结构示意图；

图7为裂隙试样俯视结构示意图；

图8为裂隙内在空间变化测试连接简化图；

图9为渗流加压板平面结构示意图；

图10为裂隙保护板平面结构示意图；

图11为裂隙试样与裂隙保护板、渗透加压板组合示意图。

其中：1-约束框架；2-1-裂隙开度测试实验罐体加载千斤顶；2-2-渗流测试实验罐体加载千斤顶；3-体积测量管；4-伺服加载万能试验机；5-荷载转换器；6-开关；7-1-出水口水压传感器；7-2-进水口水压传感器；8-1-微型流量计；8-2-中型流量计；9-溢流阀；10-泵组；11-集水槽；12-稳压罐；13-渗流测试实验罐体；14-裂隙开度测试实验罐体；15-上荷载活塞；16-出水口；17-上渗透加压板；18-罐体；19-侧压传感器；20-活动侧压板；21-进水口；22-上密封盖；23-上裂隙保护板；24-裂隙试样；25-隔水薄膜；26-下裂隙保护板；27-下渗透加压板；28-下密封盖；29-下加载活塞；30-底座荷载传感器；31-底座；32-侧壁法兰；33-密封盖密封条；34-侧压板端部密封条；35-侧压板间密封条；36-软弱层；37-密封凹槽；38-密封橡胶模；39-集水凹槽；40-导水连接管；41-通槽。

具体实施方式

一种采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，如图1所示，主要包括两个实验罐体共同放置于约束框架1内，两个实验罐体分别为渗流测试实验罐体13和裂隙开度测试实验罐体14，两个实验罐体结构相同。实验罐体外观为圆柱形刚性的耐高压罐体，如图1至图3所示，可通过罐体侧壁法兰32侧向打开，也可以通过上密封盖22及下密封盖28打开，其内在腔体截面为正方形，如图4所示，腔体每个面布置活动侧压板20，共四个活动侧压板，在活动侧压板20与罐体18侧壁间安装侧压传感器19，活动侧压板20相互间密封连接，在罐体侧向约束紧固下，四块活动侧压板20在罐体内形成第二个腔体，如图4和图5所示，裂隙试样24放置在第二个腔体内。

断裂岩体裂隙试样24为一非亲水性相似材料长方块体，内置一上下贯通倾斜裂隙，内置裂隙开度为0.5~2.0 mm，倾角为50°~90°，如图6所示，边界设置密封凹槽37深2mm，如图7所示，在裂隙上盘下段、下盘上段均设置一定厚度软弱层36，如图6所示，软弱层36厚度按内在裂隙空间体积折算，上、下盘软弱层设置尺寸相同，密封凹槽37与裂隙间有一定宽度完整块体，宽度为5~30 mm，密封凹槽37与裂隙开度相同；该裂隙试样的设计可有效的模拟断裂岩体的受压变形过程，并能从定量的角度去分析研究裂隙开度、倾角、裂隙间胶结程度对断裂岩体变形的影响机制。

活动侧压板20为锥形结构刚性板，横断面为梯形设计，其结构见图5所示，外宽内窄，外侧内角为45°，内侧内角为135°，在内侧受压时其荷载可向外传递；上渗透加压板17置于裂隙试样24上方，在上渗透加压板17和裂隙试样24间设置上裂隙保护板23；如图9所示，上渗透加压板17为一厚度较大的刚性板，其内部密布渗流孔，在与裂隙保护板23接触面上设置多个相互连通的集水凹槽39，下渗透加压板27与上渗透加压板17结构相同；如图10所示，上裂隙保护板23为一厚度为1mm断面尺寸与裂隙试样断面相同的钢板，上裂隙保护板23可保护裂隙试样24在受压过程中裂隙试样上端裂隙开口稳定变形并保证裂隙渗流入口不堵塞、渗流量充足，上裂隙保护板23内设置通槽41，通槽41尺寸与裂隙试样24内裂隙尺寸相同，渗透加压板其中的某一集水凹槽与裂隙保护板的通槽重合，下裂隙保护板26与上裂隙保护板23结构相同；裂隙试样24在安装的时候，外围包裹至少一层隔水薄膜25，保证裂隙试样24与活动侧压板20之间无渗流；上渗透加压板17、上裂隙保护板23、裂隙试样24、下裂隙保护板26、下渗透加压板27组合关系如图11所示。

在罐体18上部设置上密封盖22，上密封盖22为一直径与罐体直径相同厚度为20mm的刚性板，上密封盖22与罐体18间设置密封盖密封条33见图4，上密封盖22与罐体18间通过螺栓紧固，上密封盖22中部设置上荷载活塞15，上荷载活塞15为一直径为60mm、长度为100mm的刚性圆柱，出水口16设置在上密封盖22内，出水口16直径为20mm；试验罐体下部设置下密封盖28，下密封盖28尺寸与上密封盖22相同，下密封盖28通过四个立柱与底座31相连，下密封盖28同时通过螺栓与试验罐体18紧固，在下密封盖28与实验罐体18间设置密封盖密封条33，在下密封盖28中间设置下荷载活塞29，下荷载活塞29尺寸与上荷载活塞15相同，下密封盖内部设置进水口21，进水口21尺寸与出水口16相同，底座31为一厚度为20mm刚性板，其直径与实验罐体18相同，在底座31中间设置底座荷载传感器30，底座荷载传感器30与下荷载活塞29相连；此外，活动侧压板20的高度与实验罐体18内腔高度相同，四块活动侧压板上部和下部均设置侧压板端部密封条34，活动侧压板之间设置侧压板间密封条35，见图4和图5，上密封盖22、下密封盖28与活动侧压板20组成密封性较好的第二腔体。

对于渗流测试实验罐体13，上、下渗透加压板分别与垂直荷载加载系统、荷载传递监测系统连接，进水口、出水口分别与渗流加压系统和渗流测试系统连接；对于裂隙开度测试实验罐体14，裂隙保护板与渗透加压板间设置带有导水连接管40的密封膜38，裂隙试样24内的裂隙可通过密封膜38上的导水连接管40与裂隙开度体积测试管3连接，进行裂隙开度的测试。

荷载加载系统为独立的加载系统，主要由伺服加载系统WES-D1000型微机控制电液私服加载万能试验机4、荷载转换器5、渗流测试实验罐体13上部千斤顶2-2及裂隙开度测试实验罐体14上部千斤顶2-1组成；伺服加载系统WES-D1000型微机控制电液私服加载万能试验机4对荷载转换器5进行加载，荷载转换器5与渗流测试实验罐体上部千斤顶2-2及裂隙开度测试实验罐体上部千斤顶2-1相连，可同步伺服加载万能试验机4的加载路径，渗流测试实验罐体13上部千斤顶2-2及裂隙开度测试实验罐体14上部千斤顶2-1均安装有荷载及位移传感器，该系统可同步监测轴向荷载、轴向位移，预设加载路径，最大加载荷载可达1000kN，精度等级为0.5级。

渗流加压系统由集水箱11、泵组10、稳压溢流阀9与水压稳压罐12、进水口水压力传感器7-2串联构成，水流由渗流测试实验罐体13的下密封盖28内的进水口21进入，最大渗流流量大于10 L/s，水流流经裂隙试样24通过上密封盖22内出水口16、微型型流量计8-1或中型流量计8-2后，流入集水箱11，渗流水流可循环使用。

渗流测试系统由出水口水压力传感器7-1、微型流量计（量程0.5 ml/s~5000 ml/s）8-1、中型流量计8-2（量程1000 ml/s~20000 ml/s）、集水箱11共同组成，微型流量计8-1与中型流量计8-2并联；在初始阶段，断裂岩体裂隙试样24渗流量较大，此时流量的测量打开中型流量计8-2关闭微型流量计8-1，随着荷载的增加断裂岩体裂隙试样24受压变形，内在贯通裂隙开度减小，渗流量减小，当流量减小到5000ml/s以下时，关闭中型流量计8-2打开微型流量计8-1；由出水口16流出的水流最终流入集水箱11内循环使用。

裂隙开度测试系统的工作同步并独立于裂隙试样渗流试验完成，通过测试裂隙空间内在液体体积变化监测开度变化过程；选用与渗流试验中同样参数试块放入裂隙开度测试实验罐体14内进行加载试验，如图8所示，试验过程中使用橡胶密封模38密封裂隙试样24的上下端面，并由导水连接管40连接裂隙内在液体与裂隙开度体积测试管3，与渗流测试实验罐体13采用同样的加载路径加载同步加载，通过监测体积测试管3内液体体积的变化来监测裂隙试样24内在裂隙尺寸的变化，裂隙开度测试实验罐体14与渗流测试实验罐体13同步加载，同步监测；

下面给出本发明采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟的试验方法，包括下述步骤：

1) 制作采动断裂岩体的裂隙试样：

根据需要制备裂隙试样24，选择相应预制裂隙钢板，在裂隙试样模具内按照裂隙倾角固定好预制裂隙钢板，将下裂隙保护板26穿过预制裂隙钢板放入模具底部，在底部裂隙钢板上侧放入已经预制好的软弱层36的块体，在钢板及模具内侧均匀涂上一层润滑油或凡士林，注入配置好的非亲水性相似裂隙试样材料，在裂隙钢板的下侧放入另一块预制好的软弱层36的块体，在模具上方穿过预制钢板放入上裂隙保护板23，振动均匀后，待裂隙试样24达到一定强度后拆模，拔出预制裂隙钢板，并将裂隙试样放入水中养护，养护完成后在裂隙边界密封凹槽37内填充塑性隔水材料；采用同样的方法制备其它参数的裂隙试样24，同参数裂隙试样至少制备两块；

2) 安装裂隙试样

渗流测试实验罐体13与裂隙开度测试实验罐体14内裂隙试样24的安装方法基本相同，在罐体底座31上的下密封盖28上放入下渗透加压板27，将养护好的裂隙试样24侧壁包裹一至两层隔水薄膜25，然后将放在下渗透加压板27上，保证下渗透加压板27的某一集水凹槽39与下裂隙保护板26的通槽41重合，并逐步安装活动侧压板20，并在活动侧压板20内壁涂抹润滑油，固定实验罐体18的侧壁，放入上渗透加压板17，保证上渗透加压板17的某一集水凹槽与上裂隙保护板23的通槽41重合，安装上密封盖22，固定密封整个实验罐体18，对于渗流测试实验罐体13连接进水口21的进水管及渗流加压系统，出水口16的出水管及渗流量监测系统，并将水压传感器、水流量计及应力传感器与数据采集仪及电脑相连；对于裂隙开度测试实验罐体14，在上述安装过程中，裂隙开度测试实验罐体14内的裂隙试样24的上裂隙保护板23与上渗透加压板17及下裂隙保护板26与下渗透加压板27间增加带有导水连接管40的橡胶密封膜38，与橡胶密封膜38连接的上导水连接管、下导水连接管一端对准裂隙保护板内通槽41，另一端通过上、下渗透加压板（17及27）引出罐体18，然后固定密封整个罐体，由下导水连接管向裂隙试样24内注入液体直至上导水连接管出口不再有气泡冒出，然后将上导水连接管、下导水连接管另一端与裂隙开度体积测试管3连接；

3) 启动荷载加载系统，打开荷载转换器5与两罐体间的开关6，上荷载活塞15与上渗透加压板17接触，但不施加荷载，打开渗流监测系统，使中型流量计8-2处于打开状态并关闭微流量计8-1，打开渗透加载装置，施加水压力和流量，检测各传感器、监测设备是否处于工作状态；

4) 施加稳定水压力和流量：打开渗流加载泵组10，控制溢流阀9设置所需的水压力和流量，渗流及水压均稳定后，测试未加载时裂隙试样24的初始渗流量；

5)施加轴向荷载：按照采动裂隙岩体现场监测的应力恢复路径输入伺服加载系统WES-D1000型微机控制电液私服加载万能试验机4，然后加载，测试加载过程中裂隙试样24的渗流量、应力-应变、裂隙开度、侧向应力等参数；

6) 数据采集：通过连接数据采集仪的电脑同步采集侧向围压、渗流量、渗透压力、底部荷载，荷载加载的轴向荷载及位移、应变，体积测试管3内体积的变化，记录加载时间，保证各组采集数据相互对应；

7）停止加载或卸载：当渗流测试实验罐体13内裂隙试样24的渗流量为0或者伺服加载系统WES-D1000型微机控制电液私服加载万能试验机4达到最大预制荷载时，停止加载，继续监测各项参数指标至卸载完成；

8)模型拆卸和现象观测：拔掉渗流实验罐体13进水口21连接管、出水口16连接管，拔掉裂隙开度测试实验罐体14导水连接管40，逐步打开实验罐体上密封盖22、下密封盖28，然后打开侧壁法兰32，逐步拆卸活动侧压板20，上、下渗透加压板17和27，取出裂隙试样24，拆除隔水薄膜25及上、下裂隙保护板23和26，观测裂隙试样24的破坏变形特征；

9) 更换不同参数裂隙试样，重复步骤2）-8）；

10)数据分析与提炼：将试验过程及采集不同试验数据和信息，分析不同参数裂隙试样，在应力恢复过程中应力、位移、裂隙开度、渗流及相互间耦合关系的演化模型，定量描述和分析裂隙开度、倾角及裂隙边界完整岩体宽度对应力恢复过程中裂隙闭合及阻隔水能力恢复的影响机理。

本发明断裂裂隙岩体裂隙试样模型的研制，通过规则化裂隙、裂隙两侧留设不同尺寸完整岩块的宽度（模拟断裂岩体铰接程度）、裂隙边界设置密封凹槽、在裂隙上盘下部及下盘上部设置软弱层，侧向约束轴向加载并施加渗流流量，实现采动断裂岩体间剪切错动变形过程及其渗流的量化研究；通过设置裂隙保护板，有效的保护贯通裂隙端面加载过程中裂隙试样端面裂隙的完整性，防止了端面裂隙受压提前破坏堵塞裂隙渗流通道；此外裂隙保护板与渗流加压板集水凹槽的相互组合的设置实现了对裂隙施加稳定大渗流；活动侧压板的设置实现了断裂裂隙岩体在垂直应力恢复过程中水平挤压应力变化模拟试验的监测；小开度裂隙开度变形的监测：采用体积变化监测方法，对小开度裂隙在剪切过程中裂隙开度变化的时候监测，结合渗流试验，进而实现了裂隙开度、渗流量、应力等的定量耦合关系。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，其特征在于：包括渗流测试实验罐体和裂隙开度测试实验罐体；所述渗流测试实验罐体和裂隙开度测试实验罐体内设断裂岩体裂隙试样，断裂岩体裂隙试样内设上下贯通倾斜裂隙，在裂隙上盘下段及下盘上段均设软弱层，裂隙与试样侧边之间依次设有完整块体和密封凹槽；试样上下两端分别设上、下裂隙保护板，裂隙保护板上设与裂隙重合的通槽；上、下裂隙保护板外设上、下渗透加压板，渗透加压板密设渗流孔，在与裂隙保护板接触面设多个相互连通集水凹槽，其中一集水凹槽与裂隙保护板通槽重合；上、下渗透加压板分别与垂直荷载加载系统、荷载传递监测系统连接；在上、下渗透加压板外侧设罐体上、下密封盖，上密封盖设置出水口，下密封盖内设进水口；试样与罐体侧壁间设置活动侧压板及侧压传感器，活动侧压板相互间密封连接；对于渗流测试实验罐体，进水口、出水口分别与渗流加压系统和渗流测试系统连接；对于裂隙开度测试实验罐体，裂隙保护板与渗透加压板间设置带有导水连接管的密封膜，导水连接管一端对准裂隙保护板通槽，另一端通过渗透加压板渗流孔，上、下密封盖出、进水口引出，并与裂隙开度体积测试管连接。

2.如权利要求1所述的采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，其特征在于：所述实验罐体内在腔体截面为正方形，腔体每个面均设活动侧压板，活动侧压板之间设侧压板间密封条，活动侧压板上部和下部均设置侧压板端部密封条，活动侧压板与试样之间设隔水薄膜。

3.如权利要求1所述的采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，其特征在于：活动侧压板横断面为梯形，外宽内窄；所述活动侧压板外侧内角为45°，内侧内角为135°。

4.如权利要求1所述的采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，其特征在于：裂隙开度为0.5-2.0mm，倾角为50-90°，裂隙与试样侧边之间的完整块体宽度为5-30mm，密封凹槽与裂隙开度同宽、深2.0mm，密封凹槽由塑性隔水材料聚氨酯填充。

5.如权利要求1所述的采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，其特征在于：裂隙保护板为厚1mm钢板，宽度尺寸与裂隙试样横截面相同，裂隙保护板内设通槽，通槽位置及尺寸根据裂隙试样内预制裂隙参数设置，裂隙保护板通槽与裂隙试样端面裂隙开口重合。

6.如权利要求1所述的采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，其特征在于：所述垂直荷载加载系统包括依次相连的伺服加载万能试验机、荷载转换器、加载千斤顶和与上渗透加压板连接的上荷载活塞，荷载传递监测系统包括与下渗透加压板连接的下荷载活塞及底座荷载传感器。

7.如权利要求1所述的采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，其特征在于：所述渗流加压系统包括依次连接的进水口水压力传感器、水压稳压罐体、稳压溢流阀、泵组及集水箱，进水口水压力传感器与进水口连接；所述渗流测试系统包括依次相连的出水口水压力传感器、流量计及集水箱，出水口水压力传感器与出水口连接。

8.如权利要求7所述的采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，其特征在于：所述流量计为并联连接的两个，分别为中型流量计和微型流量计。

9.如权利要求6所述的采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置，其特征在于：所述两个实验罐体共同放置于约束框架内，对应于两个试验罐体中心位置上方的约束框架上安装有加载千斤顶，下方安装有底座荷载传感器。

10.如权利要求1-9任一项所述的采动断裂岩体裂隙动态闭合渗流模拟试验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）、制作裂隙试样：在裂隙试样模具内固定预制裂隙钢板，将下裂隙保护板穿过预制裂隙钢板放入模具底部，在底部裂隙钢板上侧放入预制好的软弱层块体，向模具内注入配置好的非亲水性相似裂隙试样材料，在上部裂隙钢板下侧放入另一块预制好的软弱层块体，在模具上方穿过预制钢板放入上裂隙保护板，振动均匀后，待裂隙试样达到一定强度后拆模，拔出预制裂隙钢板，进行养护，养护完成后在裂隙边界密封凹槽内填充塑性隔水材料；

（2）、安装裂隙试样：一、对于渗流测试：首先在下密封盖上放入下渗透加压板，将养护好的裂隙试样侧壁包裹隔水薄膜，然后放在下渗透加压板上，保证下渗透加压板的某一集水凹槽与下裂隙保护板通槽重合，并逐步安装活动侧压板，固定罐体侧壁，放入上渗透加压板，保证上渗透加压板的某一集水凹槽与上裂隙保护板通槽重合，安装上密封盖，固定密封整个罐体，将上、下渗透加压板分别与垂直荷载加载系统、荷载传递监测系统连接，进水口、出水口分别与渗流加压系统和渗流测试系统连接；二、对于裂隙开度测试：在上述安装过程中，在上渗透加压板与上裂隙保护板、下渗透加压板与下裂隙保护板之间设连有导水连接管的密封膜，与密封膜连接的上导水连接管、下导水连接管一端对准裂隙保护板内通槽，另一端通过渗透加压板引出罐体，然后固定密封整个罐体，向裂隙试样内注入液体至完全饱和，然后将上导水连接管、下导水连接管另一端与裂隙开度体积测试管连接；

（3）模拟测试：一、渗流测试：首先施加设定水压力和流量，然后测试荷载为零时，在设定渗透压力条件下裂隙试样的渗流量，再按照裂隙岩体应力恢复路径施加垂直荷载及预设稳定水压，并进行数据采集；二、裂隙开度测试：裂隙开度测试实验罐体与渗流测试实验罐体同步加载且垂直荷载加载路径相同，监测裂隙开度体积测试管水位，与渗流测试罐体监测数据同步采集；

（4）卸载：当监测到渗流为零时或者达到预设荷载时，停止加载，卸载过程中继续采集各监测指标，直至各项数据稳定不变；

（5）模型拆卸和现象观测：打开罐体，观测裂隙试样的破坏变形特征，然后进行数据处理。